Leiterplattentechnisch - Lernen Sie, harmonische Verzerrungen im PCB-Design zu reduzieren

Die Leiterplatte besteht aus elektrisch linearen Materialien, das ist, seine Impedanz sollte konstant sein. Also, Warum führt PCB Nichtlinearität in das Signal ein?

Die Antwort liegt in der Tatsache, dass das PCB-Layout relativ zum Stromfluss "räumlich nichtlinear" ist.

Ob der Verstärker Strom von diesem Netzteil oder einer anderen Stromversorgung bezieht, hängt von der momentanen Polarität des Signals ab, das auf die Last angewendet wird.. Der Strom fließt aus der Stromversorgung, durchläuft den Bypass-Kondensator, und tritt die Last durch den Verstärker ein. Dann, der Strom von der Lasterdklemme oder der Abschirmung des Leiterplattenausgangsstecker zur Bodenebene, durchläuft den Bypass-Kondensator, und kehrt zu der Stromquelle zurück, die ursprünglich den Strom lieferte.

Das Konzept des Stromflusses durch den Pfad der geringsten Impedanz ist falsch. Die Strommenge in allen verschiedenen Impedanzpfaden ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. In einer Masseebene gibt es oft mehr als einen niederohmigen Pfad, durch den ein großer Teil des Massestroms fließt: ein Pfad ist direkt mit dem Bypass-Kondensator verbunden; Die andere besteht darin, den Eingangswiderstand vor Erreichen des Bypass-Kondensators zu stimulieren. Abbildung 1 veranschaulicht diese beiden Wege. Der Erdrückstrom ist die eigentliche Ursache des Problems.

Wenn die Bypass-Kondensatoren an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte platziert sind, fließt der Massestrom über verschiedene Pfade zu den jeweiligen Bypass-Kondensatoren, was die Bedeutung von "räumlicher Nichtlinearität" ist. Wenn ein großer Teil der Komponente einer bestimmten Polarität des Massestroms durch die Masse der Eingangsschaltung fließt, wird nur die Komponentenspannung dieser Polarität des Signals gestört. Wird die andere Polarität des Massestroms nicht gestört, ändert sich die Eingangssignalspannung nichtlinear. Wenn eine Polaritätskomponente geändert wird und die andere Polarität nicht geändert wird, tritt Verzerrung auf, und es erscheint als die zweite harmonische Verzerrung des Ausgangssignals. Abbildung 2 zeigt diesen Verzerrungseffekt in übertriebener Form.

Wenn nur eine Polaritätskomponente der Sinuswelle gestört wird, ist die resultierende Wellenform keine Sinuswelle mehr. Eine 100 Ω-Last wird verwendet, um einen idealen Verstärker zu simulieren, und der Laststrom wird durch einen 1 Ω-Widerstand geleitet, und die Eingangsmassenspannung wird nur mit einer Polarität des Signals gekoppelt, und das Ergebnis in Abbildung 3 wird erhalten. Fourier-Transformation zeigt, dass die verzerrte Wellenform fast die gesamte zweite Oberschwingung bei -68dBc ist. Wenn die Frequenz hoch ist, ist es einfach, diesen Grad der Kopplung auf der Leiterplatte zu erzeugen. Es kann die ausgezeichneten Verzerrungseigenschaften des Verstärkers zerstören, ohne auf zu viele spezielle nichtlineare Effekte der Leiterplatte zurückzugreifen. Wenn der Ausgang eines einzelnen Operationsverstärker aufgrund des Massestrompfades verzerrt ist, kann der Massestromfluss durch Neuanordnung der Bypass-Schleife und Halten des Abstandes von der Eingabevorrichtung eingestellt werden.

Mehrverstärker-Chip

Das Problem der Multiverstärker-Chips (zwei, drei oder vier Verstärker) ist komplizierter, da sie die Masseverbindungen der Bypass-Kondensatoren nicht weit von allen Eingängen fernhalten können. Dies gilt insbesondere für Quad-Verstärker. Jede Seite des Vier-Verstärker-Chips hat einen Eingangsanschluss, so dass kein Platz für eine Bypass-Schaltung ist, die die Störung des Eingangskanals reduzieren kann.

Die meisten Geräte sind direkt an die vier Verstärkerpins angeschlossen. Der Massestrom eines Netzteils kann die Eingangsgrundspannung und den Massestrom des anderen Kanalnetzteils stören und Verzerrungen verursachen. Zum Beispiel kann der (+Vs) Bypass-Kondensator auf Kanal 1 des Quad-Verstärkers direkt in der Nähe seines Eingangs platziert werden; Der Bypass-Kondensator (-Vs) kann auf der anderen Seite des Gehäuses platziert werden. (+Vs) Massestrom kann Kanal 1 stören, während (-Vs) Massestrom nicht.

Um dieses Problem zu vermeiden, Lassen Sie den Erdstrom den Eingang stören, aber lassen Sie die Leiterplattenstrom räumlich linear fließen. Um dies zu erreichen, you can use the following method to layout bypass capacitors on the PCB: make the (+Vs) and (–Vs) ground currents flow through the same path. Wenn die Störung des positiven/Negativstrom zum Eingangssignal ist gleich, es wird keine Verzerrung geben.

Daher sind die beiden Bypass-Kondensatoren so nebeneinander angeordnet, dass sie einen Erdungspunkt teilen. Da die beiden polaren Komponenten des Massestroms von demselben Punkt kommen (der Ausgangsanschlussschild oder die Lastmasse) und beide zum selben Punkt zurückkehren (der gemeinsame Masseanschluss des Bypass-Kondensators), fließen sowohl die positiven als auch die negativen Ströme durch denselben Pfad. Wenn der Eingangswiderstand eines Kanals durch den (+Vs)-Strom gestört wird, Der (–Vs) Strom hat die gleiche Wirkung auf ihn. Unabhängig von der Polarität sind die Störungen gleich, so dass es keine Verzerrung gibt, aber kleine Veränderungen in der Verstärkung des Kanals werden auftreten.

Ohne einen idealen Quad-Verstärker auf der Leiterplatte wäre es schwierig, die Effekte eines einzelnen Verstärkerkanals zu messen. Offensichtlich stört ein bestimmter Verstärkerkanal nicht nur seinen eigenen Eingang, sondern auch die Eingänge anderer Kanäle. Der Massestrom fließt durch alle verschiedenen Kanaleingänge und erzeugt unterschiedliche Effekte, aber sie werden alle von jedem Ausgang beeinflusst. Dieser Effekt ist messbar.

Tabelle 2 zeigt die Oberschwingungen, die auf den anderen ungetriebenen Kanälen gemessen werden, wenn nur ein Kanal angetrieben wird. Der ungetriebene Kanal zeigt ein kleines Signal (Übersprechen) bei der Grundfrequenz, aber ohne nennenswertes Fundamentalsignal erzeugt er auch Verzerrungen, die direkt durch den Massestrom eingebracht werden. Das verzerrungsarme Layout in Abbildung 6 zeigt, dass die Eigenschaften der zweiten harmonischen und totalen harmonischen Verzerrung (THD) erheblich verbessert werden, da der Erdstromeffekt fast eliminiert wird.

Einfach ausgedrückt, auf der Leiterplatte fließt der Erdrückstrom durch verschiedene Bypass-Kondensatoren (für verschiedene Netzteile) und das Netzteil selbst, und seine Größe ist proportional zu seiner Leitfähigkeit. Der Hochfrequenzsignalstrom fließt zurück zum kleinen Bypass-Kondensator. Niederfrequente Ströme (wie Audiosignalströme) können hauptsächlich durch größere Bypass-Kondensatoren fließen. Selbst niederfrequente Ströme können die Existenz aller Bypass-Kondensatoren "ignorieren" und direkt zu den Stromleitungen zurückfließen. Die spezifische Anwendung bestimmt, welcher aktuelle Pfad der kritischste ist. Glücklicherweise können durch die Verwendung eines gemeinsamen Massepunktes und eines Erdungs-Bypass-Kondensators auf der Ausgangsseite alle Erdungsstromwege leicht geschützt werden.

Die goldene Regel der Hochfrequenz Leiterplattenlayout Es ist, den Hochfrequenz-Bypass-Kondensator so nah wie möglich an den Stromversorgungsstift des Gehäuses zu platzieren. Allerdings, Vergleich der Zahlen 5 und 6, Es kann gesehen werden, dass die Änderung dieser Regel zur Verbesserung der Verzerrungseigenschaften nicht viel Veränderung bringen wird. Die Verbesserung der Verzerrungseigenschaften geht auf Kosten von etwa 0.15 Zoll Hochfrequenz Bypass Kondensator Spuren, Dies hat jedoch wenig Einfluss auf die AC-Ansprechleistung des FHP3450. Leiterplattenlayout ist sehr wichtig, um die Leistung eines hochwertigen Verstärkers voll zu spielen, und die hier diskutierten Themen beschränken sich keineswegs auf Hochfrequenzverstärker. Niederfrequente Signale wie Audio haben viel strengere Anforderungen an Verzerrung. Der Erdstromeffekt ist bei niedrigen Frequenzen kleiner, aber wenn der erforderliche Verzerrungsindex entsprechend verbessert werden muss, Der Bodenstrom kann immer noch ein wichtiges Thema sein.